IDF 2010: Sandy Bridge - ausführliche Technik-Details zu Intels neuer CPU-Architektur

Die erste auffällige Besonderheit von Sandy-Bridge-CPUs ist schon lange bekannt: Die integrierte Grafikeinheit gehört nun direkt zum Prozessor - beim Vorgänger Clarkdale (Westmere-Generation) waren CPU und Grafikchip noch separat untergebracht. Erstmals verriet Intel zudem auf dem IDF, dass die Grafikeinheit, die CPU-Kerne, der gemeinsam genutzte Cache und die übrigen Komponenten des Prozessors per Ring-Interface miteinander verbunden sind. Dieser Bus erreicht bei einer Quadcore-CPU eine Übertragungsrate von 384 GByte/s und ist damit deutlich schneller als die bisherige Cache-Anbindung. Dieses Ring-System nutzte Intel zum ersten Mal bei den Server-Prozessoren Nehalem-Ex; für die Sandy-Bridge-Generation soll das System aber noch deutlich verbessert worden sein.

In den folgenden Absätzen erklären wir alle wichtigen Bestandteile von Sandy-Brige-Prozessoren.

Quelle: PC Games Hardware Sandy-Bridge-Details 02 Cache
Bei dem schnellen Zwischenspeicher (Cache), den sich Grafikeinheit und CPU-Kerne per Ring-Interface teilen, spricht Intel neuerdings von Last Level Cache. Auf unsere Nachfrage hin bestätigte Intel jedoch, dass es sich um L3-Cache handelt. Genau wie aktuelle Lynfield- oder Clarkdale-Kerne verfügen auch die CPU-Kerne bei Sandy-Bridge-Prozessoren zusätzlich über 32 Kbyte Daten- und 256 Kbyte Mid-Level-Cache (L2-Cache). Im Gegensatz zu bisherigen Intel-CPUs wird bei der Sandy-Bridge-Generation ein so genannter Decoded Uop Cache genutzt. Dieser soll einen höheren Datendurchsatz und eine geringere Leistungsaufnahme ermöglichen und sogar für eine kürzere und daher effizientere Pipeline sorgen. Hierfür wird die traditionelle x86-Pipeline für die meisten Befehle abgeschaltet - das soll sowohl Strom sparen als auch mehr Performance bieten.

Quelle: PC Games Hardware Sandy-Bridge-Details 15 Grafikeinheit
Intel war es wichtig, die Spielele-Performance deutlich zu steigern, aber dennoch eine niedrige Leistungsaufnahme zu erreichen. Da die Grafikeinheit nun im Prozessor sitzt, teilt sie sich den Last Level Cache mit den CPU-Kernen. Dadurch sind die Latenzen deutlich geringer. Da oft benötigte Daten direkt im Cache (Zwischenspeicher) abgelegt werden können, muss die Grafikeinheit zudem seltener auf den im Vergleich zum Cache deutlich langsameren Arbeitsspeicher des PCs zurückgreifen. Neben einer besseren Performance soll damit sogar eine niedrigere Leistungsaufnahme erreicht werden. Dank konfigurierbarer Cache-Partitionierung kann der schnelle Zwischenspeicher dynamisch zwischen CPU-Kernen und Grafikeinheit aufgeteilt werden.

Außerdem spricht der Turbo-Modus sowohl die CPU-Kerne als auch den Grafikpart an. Wird beispielsweise bei einer Szene in einem Spiel viel Grafik- aber wenig CPU-Leistung benötigt, takten sich die Prozessorkerne herunter, während die Grafikeinheit beschleunigt wird. Laut Intel bringt das einen deutlichen Performance-Vorteil. Somit soll auch sichergestellt werden, dass die aufgenommene Energie optimal genutzt wird.

Quelle: PCGH Sandy Bridge Architektur 13 Herzstück der Grafikeinheit sind die Execution Units - in Intels Block-Diagramm auf der rechten Seite sind diese mit "EU" gekennzeichnet. Sie entsprechen den Shader-Einheiten aktueller Grafikchips. Im Vergleich zur Grafikeinheit von Clarkdale-Prozessoren, sollen die neuen Execution Units einen doppelt so hohen Datendurchsatz bieten. Zudem verfügt die neue Grafikeinheit über größere Register und beherrscht neue Instruktionen.

CPU-Kerne
Intel hat die Sprungvorhersage (branch-prediction) komplett neu entwickelt und angeblich gegenüber dem Vorgänger weiter verbessert - dadurch steigt erneut die Effizienz. Eine der wichtigsten Neuerungen ist zudem die Unterstützung von AVX (Advanced Vector Extensions). Damit sollen zweimal so viele Flops (Floating Point Operations Per Second, also Fließkommaberechnungen) pro Taktzyklus möglich sein als mit der bisherigen SSE-Technik. Auch die Out-of-Order-Execution-Einheit soll von Grund auf neu entwickelt worden sein.

Quelle: PCGH Sandy Bridge Architektur 12 Übrige Komponenten
Wie bei Lynnfield- und Clarkdale-CPUs sitzt neben dem RAM-Controller ein PCI-Express-Controller im Prozessor. Der Speicher-Controller bietet zwar "nur" ein Dual-Channel-Inerface, wurde aber für Sandy-Bridge-CPUs neu entwickelt. Steckt nur eine Grafikkarte im PC, liefert ihr der integrierte PCI-Express-Controller 16 Lanes, also die volle Bandbreite; setzt man zwei Karten ein, müssen diese jeweils mit acht Lanes auskommen - ebenso wie bei Lynnfield und Clarkdale. Die Display-Engine sitzt nicht in der Grafikeinheit, sondern zusammen mit dem RAM-Controller im so genannten System Agent. Das hat einen entscheidenden Vorteil: Wenn lediglich ein Bild aus dem Buffer geladen und dargestellt werden soll (beispielsweise bei ruhendem Desktop), kann die Grafikeinheit unabhängig von der Display-Engine schlafengelegt werden. Zudem hat Intel die Unterstützung für einen Display-Port in Sandy-Bridge-CPUs integriert. Der eigentliche Mainboard-Chip - bei Sandy Bridge dementsprechend P67 oder H67 - ist erneut per Direct Media Interface (DMI) mit dem Prozessor verbunden.

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Ring-Interface, integrierte Grafikeinheit, AVX und überarbeiteter Cache - auf dem IDF stellte uns Intel heute alle Technik-Besonderheiten der kommenden Sandy-Bridge-Prozessoren ausführlich vor und zeigte, was sich im Vergleich zur Vorgängergeneration geändert hat.

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